WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI MANGANITÓW W POBLIŻU PROGU PERKOLACJI

1. WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI MANGANITÓW W POBLIŻU PROGU PERKOLACJI A. Wiśniewskia, R. Puźniaka, V. Markovichb, I. Fitaa,c, Ya.M.Mukovskiid aInstitute of Physics, Polish Academy of Sciences, Warsaw, PolandbDepartment of Physics, Ben-Gurion University of the Negev, Beer-Sheva, IsraelcDonetsk Institute for Physics and Technology, NAS, Donetsk, UkrainedMoscow State Institute of Steel and Alloys, Moscow, Russia

2. WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI …. Plan wykładu • Magnetyczny diagram fazowy La1-xCaxMnO3i Pr1-xSrxMnO3. • Wpływ ciśnienia na właściwości magnetyczne i transportowe (TC, TMI). • Wpływ ciśnienia w pobliżu progu perkolacji xC (niektóre praceteoretyczne przewidywały, że współczynnik ciśnieniowy dTC/dP maleje ze wzrostem domieszkowania). • Wpływ domieszkowania i ciśnienia na naturę magnetycznego przejścia fazowego w Pr1-xSrxMnO3.

3. WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … Diagram fazowy La1-xCaxMnO3 (LCMO) • Związki o zawartości Ca:x = 0 ix = 1 są AFM izolatorami • 0.17 < x < 0.25 – współistnieją dwie fazy FM (“metaliczna”i “izolatorowa”) • Próg perkolacjixc – krytyczny poziom domieszkowania, przy którym zmienia się charakter przewodnictwa ze zlokalizowanego (x < xc) nawędrowny (x > xc) • Dla LCMO: xc 0.22

4. WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … Diagram fazowy Pr1-xSrxMnO3 (PSMO) • PSMO – przy domieszkowaniu ma taką samą jak LCMO sekwencję przejść magnetycznych • LCMO i PSMO mają porównywalne Tcprzy optymalnym domieszkowaniu • Mają podobny próg perkolacji, dla PSMO:xc 0.24 • W obydwu związkach dla xcczynnik dopasowania (tolerance factor)ma wartość  0.96, dla której zachodzi przejście strukturalne z fazy ortorombowej (c/a < 2) do pseudokubicznej (c/a  2). C. Martin et al., PRB 60, 12 191 (1999)

5. P WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI …. EKSPERYMENT • Monokryształy: La1-xCaxMnO3 (x = 0.18, 0.20, 0.22) i Pr1-xSrxMnO3 (x = 0.22, 0.24, 0.26) zostały wyhodowane metodą topnienia strefowego. • Pomiary magnetyczne pod ciśnieniem hydrostatycznym do 11 kbar (1.1 GPa) zostały przeprowadzone za pomocą VSM. Użyto miniaturowej komory ciśnieniowej (CuBe) wypełnionej mieszaniną oleju mineralnego i nafty. • Mierzono próbki o cylindrycznym kształcie (średnica 1 mm, wysokość 4 mm, wzdłuż osi <110>).

6. WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … La1-xCaxMnO3- pomiary magnetyczne • Dlax = 0.20, w pobliżu 70 K jest wyraźnie widoczna zmiana nachylenia zależności M(T), przypuszczalnie związana z przejściem do stanu typu szkła spinowego (brak takiej zmiany dla x = 0.22). • Dlax = xC = 0.22 wzrost TCpod ciśnieniem jest największy. PRB 66, 094409 (2002)

7. WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … La1-xCaxMnO3– pomiary magnetyczne • Dlax = 0.18 i 0.20, wzrost Tcpod ciśnieniem jest porównywalny, dla obydwu związków w niskich temperaturach stanem podstawowym jest stan FM izolatora dominują oddziaływania nadwymiany(SE). • Dlax = xC = 0.22, współczynnik ciśnieniowy ma największą wartość, dla tego związku większą rolę odgrywają oddziaływania wymiany podwójnej (DE). • Ciśnienie ma większy wpływ na podwójną wymianę niż na nadwymianę. PRB 66, 094409 (2002)

8. WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … Pr1-xSrxMnO3– pomiary magnetyczne Dla x = 0.22: • W pobliżu T ≈ 80 K widoczna jest zmiana nachylenia krzywych MFCiMZFC, jest ona prawdopodobnie związana z porządkowaniem się momentów magnetycznych Pr. • Tcpodsieci Mn została określona jako punkt przegięcia krzywej M(T). Tc(Pr) jest określona jako maksymalna wartość dMZFC/dT. • Współczynniki ciśnieniowe obydwu Tc są diametralnie różne: dTc/dP≈ 1.1 K/kbar natomiastdTc(Pr)/dP≈ -1.7 K/kbar. PRB 71, 224409 (2005)

9. WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … Pr1-xSrxMnO3– pomiary magnetyczne • Dlax = 0.24, w pobliżuTCdlaP 4 kbar pojawia się lokalne maksimum na krzywejMFC(T). • Dlax = 0.26, lokalne maksimum na krzywejMFC(T), w pobliżu TC, jest widoczne dla wszystkich ciśnień i jest wyraźniejsze niż dla x = 0.24. • Lokalne maksimum na krzywejMFCw pobliżuTCmoże wskazywać na to, że przejście fazowe jest I rodzaju. • Współczynnik ciśnieniowy TCma największą wartość dla x = xC = 0.26 PRB 71, 224409 (2005)

10. WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … Pr1-xSrxMnO3– pomiary transportowe • Tc(Mn) jest niższa niż temperatura przejścia MI (określona jako maksimum zależności oporu od T). „Rozsunięcie” TCiTMI – skutek współzawodnictwa pomiędzy oddziaływaniami DE i SE (to współzawodnictwo rośnie w pobliżu progu perkolacji). • Zmiany TMIi Tc pod wpływem ciśnienia są porównywalne. Ciśnienie modyfikuje „stan perkolacyjny”,zmienia ścieżki przewodnictwa. PRB 71, 224409 (2005)

11. WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … Wzrost współczynnikówdTC/dPi dTMI/dP dla xC • Wzrost wartości dTC/dPdlaxCjest związanyz różną naturą oddziaływań magnetycznych poniżej i powyżej xC: dlax > xcnośniki są bardziej ruchliwe, magnetyczne i transportowe właściwości są zdominowane przez DE, dlax < xCoddziaływania DE są częściowo zastąpione przez SE. • Ciśnienie ma większy wpływ na oddziaływania DE niż na SE. Ciśnienie (podobnie jak podstawienia chemiczne jonów o większym promieniu) powoduje wzrost kąta między wiązaniami Mn-O-Mn i zmniejsza długość wiązania Mn-O-Mn, prowadzi to do wzrostu szerokości pasma eg (W = cosw/(dMn-O)3.5) i w konsekwencji do wyższych wartościTciTMI. PRB 71, 224409 (2005)

12. WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … Pr1-xSrxMnO3- natura magnetycznego przejścia fazowego Model Beana-Rodbella (Phys. Rev. 126, 104 (1962)) • W modelu tym rozważa się ferromagnetyk w przybliżeniu pola molekularnego. • Uwzględnia się zależność energii wymiany od odległości międzyatomowych, jeśli ta zależność jest słaba M(T) zmienia się w sposób ciągły, jeśli jest silna, funkcja M(T) staje się nieciągła. • Stałą pola molekularnego l wyraża się jako wielkość proporcjonalną do parametru n („parametru sprzężenia”) zależnego od spinu S. • Na podstawie analizy zależności zredukowanego namagnesowania m od T/Tc,można określić typ przejścia fazowego. Jeśli parametr n < 1, magnetyczne przejście fazowe jest II rodzaju, jeślin > 1 przejście jest I rodzaju. • Novak et al. (PRB60, 6655 (1999)) pokazali, że model B-R może być wykorzystany do analizy natury przejścia fazowego w manganitach.

13. WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … Pr1-xSrxMnO3–natura magnetycznego przejścia fazowego Porównanie wyników doświadczalnych z przewidywaniami modelu B-R pozwala, na podstawie analizy m od T/Tc,na określenie typu przejścia fazowego. Jeśli parametr n < 1, magnetyczne przejście fazowe jest II rodzaju, jeślin > 1 przejście jest I rodzaju. PRB 71, 224409 (2005) • Charakter przejścia fazowego zmienia się z poziomem domieszkowania: dlax = 0.22, przejście jest II rodzaju (n 0.5), dlax = 0.26 jest raczej I rodzaju (n 1, osobliwość MFC w TC), dla obydwu próbek rodzaj przejścia nie zależy od ciśnienia. • Dlax = 0.24, widać wpływ ciśnienia na charakter przejścia: dlaP = 0, przejście jest II rodzaju (n  0.5), dlaP=11 kbar jest I rodzaju (n  1, osobliwość MFC)

14. WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … Wnioski • Współczynniki ciśnieniowedTC/dPi dTMI/dPsilnie rosną w pobliżu progu perkolacjixC i nie maleją powyżejxC (wbrew przewidywaniom teoretycznym). • Pod wpływem ciśnienia może ulec zmianie charakter przejścia fazowego ferromagnetyk-paramagnetyk.

15. Nadprzewodnictwo diamentu domieszkowanego borem NADPRZEWODNICTWO PIERWIASTKÓW 29 (pod ciśnieniem normalnym) + 25 (pod ciśnieniem) = 54 (z 92 pierwiastków) kolor żółty kolor zielony C. Buzea, K. Robbie Supercond. Sci. Technol. 18 (2005) R1-R8

16. Nadprzewodnictwo diamentu domieszkowanego borem Nadprzewodnictwo pierwiastków • Nb: TC = 9.25 K (najwyższa TC pierwiastka) • Li: TC = 20 K pod p = 50 GPa (najwyższa TC pierwiastka pod ciśnieniem, przejście do struktury o niższej symetrii) • Si: TC = 8.5 K pod p = 12 GPa, Ge: TC = 5.4 K pod p = 11.5 GPa • O: TC = 0.6 K pod p = 120 GPa, Fe: TC = 2.0 K pod p = 21 GPa • nadprzewodnictwo B pod ciśnieniem M.I. Eremets et al. Science 293, 272 (2001) próbka ~ 20 mm, elektrody pomiarowe ~2 mm p 160 GPa, TC = 6 K, TC = 11.2 K pod p 250 GPa (!) • Święty Graal: metaliczny H: p 400 GPa, TC = TR) (500 GPa = 5 Mbar ciśnienie w środku Ziemi, pmax w kowadłach diamentowych 560 GPaA.L. Ruoff, H. Luo, Recent Trends in High Pressure Research, ed. A.K. Singh, IBH, Oxford, 1992)

17. PRESSURE EFFECTS ON MAGNETIC PROPERTIES …. La1-xCaxMnO3 transport measurements • At TFI 150 K transition from FM insulating state to FM metallic • Under pressure huge reduction in r(T) and shift of TFI towards lower temperatures Pressure enhances carrier itinerancy, stabilizes the metallic phase and widens the temperature region of the metallic phase

18. PRESSURE EFFECTS ON MAGNETIC PROPERTIES …. La1-xCaxMnO3 magnetic measurements • The difference between MFC and MZFC decreases under pressure  increase of FM metallic regions at the expense of frustrated spin structures • Under pressure M increases

19. WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … La1-xCaxMnO3 magnetic measurements • The different nature of FM interactions for x = 0.20 and 0.22 is also reflected in their M(H) curves For x = 0.2 • Along easy direction M(H) does not saturate in fields up to 15 kOe • The anisotropy in (110) plane almost disappears in fields H > 12 kOe • Pressure gradually suppresses the magnetic anisotropy in (110) plane and at P = 8.9 kbar the anisotropy vanishes completely For x = 0.22 • Magnetization saturates in H ≈ 5 kOe and pressure practically does not affect M(H) curve